低阶煤制备高反应性、高强度冶金型焦_郭瑞.pdf

8燃 料 与 化 工Fuel&Chemical ProcessesMar.2023Vol.54 No.2煤焦技术低阶煤制备高反应性、高强度冶金型焦郭瑞1严瑞山2（1.华北理工大学化学工程学院，唐山063210；2.新疆吉泰低阶煤利用研究有限责任公司，哈密839000）摘要：提出了一种高比例利用低阶煤制备冶金型焦的方法。将低阶煤、低阶煤热解制成的半焦、具有一定黏结能力的烟煤和煤沥青混合并搅拌均匀，使用线压力 200 kN/cm 的大型高压制球机压成型煤。高压型煤在约1 050 高温干馏后成为冶金型焦。测试表明，冶金型焦的抗压强度在 5 000 N 以上，CRI 为 54%，CSR 达到65%，可作为冶金焦炭使用。关键词：型焦；低阶煤；反应性；反应后强度中图分类号：TQ520.1文献标识码：文章编号：1001-3709（2023）02-0008-03Preparation of metallurgical formed coke with high reactivity and high strength by using low-rank coalGuo Rui1 Yan Ruishan2（2.College of Chemical Engineering,North China University of Science&Technology，Tangshan 063210，China；3.Xinjiang Ginstar Low Rank Coal Utilization Research Co.，Ltd.，Hami 839000，China）Abstract:This paper presents a method for preparing metallurgical formed coke from low rank coal in high proportion.Low rank coal，semi-coke from low rank coal，bituminous coal with some binding capacity and coal asphalt are uniformly mixed and pressed into coal briquette by high-pressure pelletizing machine with linear pressure 200 kN/cm.The high-pressure coal briquette becomes metallurgical formed coke after dry distillation at about 1 050.The test result shows that the compressive strength of the metallurgical formed coke is more than 5 000 N，with CRI 54%and CSR 65%，which can be used as metallurgical coke.Key words:Formed coke；Low rank coal；Coke reactivity（CRI）；Coke strength after reaction（CSR）收稿日期：2022-03-10作者简介：郭瑞（1985-），男，副教授 1前言我国煤炭查明储量超过1.7万亿t1，其中超过50%为低阶煤2。低阶煤是指低变质程度的烟煤（长焰煤、弱黏煤、不黏煤等）及褐煤。鄂尔多斯盆地和新疆地区的低变质烟煤资源较为集中3，内蒙古东部和云南地区的褐煤资源较为集中4。低阶煤的有机结构缩合程度低，富含桥键和侧链，氢碳原子比高，容易自燃和扬尘，不适宜长途运输。低阶煤通过热解可获得大量油气资源和半焦，当前人们对储量丰富的低阶煤的清洁高效利用途径愈发关注。在我国低阶煤资源丰富、水资源缺乏的西部地区适合将低阶煤先分级提质再开发利用5。我国传统炼焦煤资源日益减少，优质炼焦煤资源逐渐枯竭。如何利用低阶煤制备冶金焦炭是煤炭、焦化、炼铁等领域共同关注的问题6。目前低阶煤在配煤炼焦中的应用主要依托于捣固炼焦技术7、配型煤炼焦技术8、低阶煤热萃取技术9，10等。捣固炼焦和配型煤最多能配入10%20%的弱、非黏结性煤11，配入量十分有限。低阶煤热萃取工艺复杂且成本高，很难在制备冶金焦炭方面实现商业化。DOI:10.16044/ki.rlyhg.2023.02.0029燃 料 与 化 工Fuel&Chemical Processes2023 年 3 月第 54 卷第 2 期表 1试验所用煤、半焦的基本性质表 2高压型煤抗压强度测试结果表 3型焦抗压强度测试结果Ad/%Vdaf/%St，d/%GY/mm某低阶煤 11.2135.060.26 某低阶煤 27.4135.280.18某低阶煤半焦 13.7711.100.26某低阶煤半焦 210.0010.000.35某烟煤 19.5926.620.8699.026某烟煤 28.7636.150.5169.410测试序号12345平均抗压强度8158249261 4441 0221 006测试序号12345平均抗压强度5 3955 6035 7655 5545 4285 549本文通过试验研究提出了以高压型煤为重要技术手段、大比例使用低阶煤制备冶金型焦的方法。2冶金型焦的制备2.1配比方案将2种低阶煤、2种低阶煤干馏后的半焦、2种具有一定黏结性的烟煤和少量煤沥青作为型焦制备的原料。所用的低阶煤、半焦和烟煤的基本性质如表1所示。低阶煤和黏结性烟煤破碎至2 mm以下，半焦破碎至80目以下，煤沥青破碎至100目以下。按照低阶煤占10%、半焦占44%、黏结性烟煤占40%、煤沥青占6%的比例将原料混合。混合后的原料黏结指数G低于50，而常规捣固焦和顶装焦原料煤的黏结指数为6075。将原料混合煤的水分调至8%后进行高压成型。3型焦性能测试3.1抗压强度传统冶金焦炭机械强度测试方法为落下强度和转鼓强度试验。本试验制备的型焦粒度小且均匀，故采用抗压强度来表征其机械强度。取5粒型焦样品进行抗压强度测试，结果如表3所示。型焦的抗压强度平均为5 549 N，远超GB/T 276922011标准中用于进入高炉冶炼的一级球团矿的抗压强度2 500 N要求。3.2热性能将型焦手工制成粒度为2325 mm近似球状的小块，按照GB/T 40002017进行反应性和反应后强度测试，得到焦炭的CRI和CSR。此外，采用大型连续热重仪对型焦进行1 100 溶损失重反应测试。焦炭反应失重50 g后停止反应，得到焦炭溶损25%后强度CSR25，测试结果如表4所示。由表4可知，焦炭的CRI为54.27%，远超常规焦炭；焦炭的CSR为65.03%，超过一级冶金焦炭水平（60%）。该型焦的CRI与CSR数值之和高达119，而普通焦炭的CRI与CSR之和一般为8595，可见该型焦是一种高反应性、高强度焦炭。通过热重法测得的焦炭CSR25为75.08%，也表明该焦炭具有很高的反应后强度。高反应性焦炭是本世纪初由新日铁提出的炼焦-炼铁新技术13。高炉使用高反应性焦炭可降低热储备区温度，为进一步降低高炉燃料比创造有利的热力学条件14。同时，高反应性焦炭也是富氢高炉冶炼的重要支撑技术之一15。国内外的研究机构2.2高压成型及干馏成焦利用大型压球机12将原料制成高压型煤，外观尺寸约为2.8 cm2.5 cm8 cm。用于传统型煤成型的压球机线压力20 kN/cm，用于矿粉成型的压球机线压力为50 kN/cm左右，用于干粉成型的压球机线压力为100 kN/cm左右。本试验的大型高压压球机采用了剪切力轴承座，通过液压拉力油缸产生倍增压力，原料成型线压力200 kN/cm。捣固焦原料煤的堆密度约为0.91.15 t/m3，本试验高压型煤的堆密度为1.4 t/m3。取5粒样品进行抗压强度测试，其抗压强度结果如表2所示。高压型煤（生球）的平均抗压强度为1 006 N，可以确保其顺利进入干馏装置后不破损。将高压型煤装入特制铁箱，在某焦化厂捣固焦炉炭化室内进行高温干馏得到型焦。高压型煤和型焦的外观如图1所示。图 1高压型煤和型焦的外观（a）型煤（b）型焦NN10燃 料 与 化 工Fuel&Chemical ProcessesMar.2023Vol.54 No.2表 4型焦的热性能指标性能指标CRICSRCSR25数据54.2765.0375.08持续开展高反应性焦炭的制备和性能研究16-19，这些研究采用钙、铁作为催化剂来提高焦炭的反应性。相对于传统炼焦煤，低阶煤干馏之后的化学反应活性更高。我国西部地区的低阶煤普遍具有低灰、低硫的优点20。本试验使用的是产于新疆哈密地区较为罕见的极低灰分、极低硫分的低阶煤。利用低阶煤制备冶金焦炭，既为制备高反应性焦炭提供了新的方法，也缓解了传统炼焦煤资源日益短缺的问题。4结论与展望高效清洁利用煤炭资源是实现碳达峰、碳中和目标的关键技术之一。低阶煤的氢碳比高且储量巨大，如何利用好低阶煤是未来需要重点关注的问题。本研究在冶金焦制备中以超过50%的比例使用低阶煤及低阶煤半焦，为高效利用低阶煤提供了新的途径。但高反应性、高强度冶金型焦在高炉冶炼中的推广应用，还需进一步完善理论研究，进行生产工艺优化和冶炼实践验证。（1）高压型煤的热解成焦机理需深入研究。传统观点认为，捣固炼焦之所以可多配入弱黏结性煤，主要是因为煤料的堆密度提高后，煤颗粒界面之间结合更加紧密。但是如果压力增大到一定程度，热解时煤的挥发分逸出就会受到抑制，气-液-固三相的演化转变过程也会相应改变，这方面目前尚缺乏理论支撑。（2）冶金型焦的性能尤其是热性能的评价需继续完善。高反应性、高强度冶金型焦的基质性质和孔结构与传统焦炭显著不同，冶金型焦的基质化学反应活性很高、孔径小。需要全面研究在高炉温度、气氛、碱金属循环等条件下型焦的溶损反应及劣化行为，为优化冶金型焦配煤和干馏工艺提供指标依据。（3）冶金型焦的生产工艺需要优化，高炉冶炼效果需要验证，更适用于竖炉连续生产。日本于80年代的型焦生产试验和近年的铁焦复合球团生产试验均采用竖炉作为干馏装置，我国尚无该方面的经验。我国的半焦生产工艺较为成熟，在一定程度上可为设计型焦干馏装置和工艺提供借鉴。英国在70年代、日本在80年代曾进行过型焦冶炼试验，确定了型焦可代替一定比例传统焦炭进行高炉冶炼。JFE钢铁公司于2013年进行了高反应性、高强度铁焦复合球团的冶炼试验，取得了较好的效果。我国在8090年代也曾有过型焦的小高炉冶炼经验，但高反应性、高强度冶金型焦还需要通过实践来验证其冶炼效果。参考文献 1 中华人民共和国自然资源部.中国矿产资源报告2019M.北京：地质出版社，2019：2.2 宁晓钧，党晗，张建良，等.低阶煤热解与兰炭生产工艺研究进展J.钢铁，2021，56（1）：1-11.3 苏天雄.浅谈我国低阶煤资源分布及其利用途径J.广东化工，2012（6）：133-134.4 李鑫，李臣威，张海军，等.浅析我国褐煤应用现状及问题研究J.应用化工，2020，49（5）：1226-1230.5 潘生杰，陈建玉，范飞，等.低阶煤分质利用转化路线的现状分析及展望J.洁净煤技术，2017，23（5）：7-12.6 王春晶.低阶煤在炼焦配煤中的应用研究J.煤质技术，2020，35（4）：42-47.7 徐君，邵国庆，白金锋，等.配入低阶煤炼焦对焦炭性能影响的研究J.燃料与化工，2013，44（3）：1-4.8 陈永军.焦油渣配型煤炼焦工艺J.山东冶金，2018，40（3）：69，71.9 樊丽华，杜敬文，梁英华，等.无灰煤的热解行为及其在配煤中的添加效果J.煤炭科学技术，2017，45（3）：185-190.10朱亚明，唐帅，赵雪飞，等.低阶煤热萃取物与瘦煤共炭化焦炭的微观结构及显微强度研究J.燃料化学学报，2018，46（9）：1036-1043.11张伟，王再义，张立国，等.非焦煤炼焦技术进展及应